Смеситель сигналов на основе резисторного оптрона

Перемножение сигналов является одной из основных операций при преобразовании сигналов в радиотехнике. Различные виды модуляции, детектирования связаны с операцией умножения. В аналоговой электронике эти операции осуществляются опосредованно с помощью транзистора, работающего в нелинейном режиме [2]. В [3] нами было показано, что фоторезистор может осуществлять перемножение двух сигналов, один из которых является напряжением, приложенным к фоторезистору, а другой — оптическим, модулированным по интенсивности. Операция умножения является одной из основных задач аналоговой транзисторной электроники. Получение амплитудно-модулированных (АМ) сигналов и сигналов с угловой модуляцией, синхронное детектирование, детектирование фазомодулированных сигналов связано с операцией перемножения двух сигналов. Задача перемножения двух сигналов в аналоговой электронике осуществляется за счет нелинейной характеристики транзистора, поэтому на выходе транзисторного перемножи-теля спектр сигнала будет содержать комбинационные частоты, которые невозможно исключить из спектра модулирующего сигнала, если эти частоты меньше граничной частоты спектра. В отличие от идеального транзисторного перемножителя, идеальный фоторезистор может осуществлять операцию перемножения двух сигналов, не внося нелинейных искажений [2]. При этом один из сигналов является приложенным к фоторезистору напряжением, а второй — оптическим, преобразованным в изменение проводимости фоторезистора. В спектре сигнала на входе фоторезистора отсутствуют комбинационные частоты, которые приводят к неустранимым искажениям сигнала. Совмещение в фоторезисторе операций приема и преобразования сигнала позволит создавать многофункциональные элементы оптоэлектроники.

Рассмотрим перечисленные выше операции, которые можно осуществить с помощью идеального фоторезистора, если один из сигналов, например сигнал сообщения, преобразован в оптический. С помощью фоторезистора можно осуществлять амплитудную модуляцию (АМ) [2]. Пусть сигнал сообщения преобразован в оптический сигнал вида:

ф = ф0

2 [«>* (1+

А=1 к

cos(£Qz + t^J)

где Ф_о — постоянная составляющая интенсивности света Ф^, k£lt, ty — соответственно амплитуда, частота и фаза гармоник изменяющейся во времени интенсивности света. Подавая на фоторезистор высокочастотное напряжение вида U = U^ostot, получим выражение для тока на входе фоторезистора в случае монопо-лярной проводимости при условии однородной генерации свободных носителей в объеме:

I - I „СО8ЩГ + £ —cos кА 2

[(щ- ш)/ + ^]+

+ £ —COS [(й)+ш)г (2) кА 2

А-АДД.

кА

Z_o = (п₀ + е(1 - К')арФ₀т_пц_п'\и_т8/1,

1к = е(1- Н)аРФктпцпит5 /I, й) — частота высокочастотного сигнала; Um — амплитуда пе-© Б. Н. Денисов, 2007

ременного напряжения; е, Ц_п ,а, р.Т_п, R — соответственно заряд электрона, подвижность, коэффициент поглощения, квантовый выход и время жизни свободных носителей, коэффициент отражения; п₀ — равновесная концентрация электронов; S — площадь контактов; / — расстояние между контактами фоторезистора. Выражение (2) является амплитудно-модулирован-ным (АМ) сигналом, в котором отсутствуют комбинационные частоты. Из выражения (2) следует, что фоторезистор может выполнять функцию анализатора спектра электрических сигналов. В случае kQ = СО на выходе фоторезистора появится постоянный ток, амплитуда которого будет пропорциональна амплитуде 6-ой гармоники исследуемого сигнала. В качестве анализируемого сигнала может выступать приложенное к фоторезистору напряжение или модулированный по интенсивности оптический сигнал. Простейшая схема анализатора спектра гармоник модулированных по интенсивности оптических сигналов представлена на рис. 1.

Рисунок 1

Схема анализатора спектра:

I — фоторезистор, 2 — перестраиваемый генератор, 3 — гальванометр магнитоэлектрической системы

Нами были проведены эксперименты по Фурье-анализу оптических сигналов модулированных по интенсивности с помощью устройства, изготовленного по схеме, изображенной на рис. 1. В качестве фотоприемника использовался фоторезистор на основе кристаллов кремния марки БНЛ-1 с графитовыми контактами. Регистрирующим устройством являлся гальванометр магнитоэлектрической системы М-95, а источником света — ИК-светодиод, питаемый ‘ прямоугольными импульсами напряжения час-: тотой 1 кГц при скважности, равной 2, от гене-! ратора Гб-34. Постоянная времени светодиода составляла - 5* 10-7с. Спектральный состав гармоник световых импульсов был предварительно измерен с помощью анализатора спектра СК4-56. В качестве регистрирующего устройства световых импульсов использовался фотодиод (ФДМ-70), сигнал с которого подавался на анализатор спектра. Амплитуды гармоник импульсов света вплоть до девятнадцатой соответствовали разложению в ряд Фурье меандра со скважностью 2. Для уменьшения искажений спектрального состава гармоник фоторезистором амплитуда интенсивности прямоугольных импульсов света обеспечивала увеличение проводимости образца в 1,2 раза по сравнению с темновой. В этом случае, как показала проверка, кинетика фотопроводимости фоторезистора была линейной. Постоянная времени фотопроводимости, равная 5-10"6с, была определена из кривой затухания фототока. Следовательно, инерционные свойства фоторезистора не могли сказываться на величине амплитуды гармоник с частотой до 20 кГц. Измеренные первые десять гармоник совпадали с теоретическими с точностью до 0,5 %.

Рассмотрим операцию синхронного детектирования амплитудно-модулированных сигналов. Пусть напряжение, приложенное к идеальному фоторезистору, имеет вид АМ-сигнала

U - U_m coscot + 2—cos [(to-ш)г + y_k]+

+ £—-cos [(to + + ш. 1 (3) ^=1 2

Для осуществления операции синхронного детектирования необходимо осветить фоторезистор оптическим сигналом, интенсивность которого изменяется с частотой высокочастотного сигнала по закону Ф = 0o(l + costot). В этом случае ток на входе идеального фоторезистора будет содержать сигнал информации:

Z = L —соз(Ш+^).      (4)

Сигнал информации может быть выделен с помощью фильтра низких частот при полном отсутствии нелинейных искажений в спектре сигнала сообщения, что в принципе невозможно осуществить с помощью средств транзисторной электроники.

Рассмотрим процесс фазового синхронного детектирования сигналов с помощью идеально- го фоторезистора. Напряжение фазомодулиро-ванного (ФМ) сигнала можно записать в виде

<7 = <7₀ ехр(-?} U^,

и = U_m sin^ + ^90].

При приложении этого напряжения к фоторезистору и освещении его светом с частотой гармонической модуляции ток на выходе фоторезистора будет равен

I = I_m sin^y + <Р0]

т

sin[2to0r + ф(г)]+ —sin

Если девиация фазы достаточно мала, то ток на выходе фоторезистора будет содержать слагаемое, пропорциональное сигналу информации, который легко выделяется с помощью фильтра низких частот:

где — о₀, Г| — постоянные величины для данного транзистора, U₃ = Е + и^й — напряжение на затворе относительно истока, Е — напряжение на затворе относительно истока при отсутствии модуляции, U¹¹ —■ мгновенное значение модулирующего сигнала. Нелинейная зависимость проводимости между стоком и истоком полевого транзистора определяет величину коэффициента нелинейных искажений. При глубине модуляции сопротивления полевого транзистора m_R = AR/ R_Cp - 0,6 коэффициент нелинейных искажений К = 7,5 %, где ДК — отклонение величины сопротивления транзистора от среднего значения сопротивления транзистора Rep [5]. На рис. 2 представлена схема фазового модулятора на основе RLC-делителя с фоторезистором в качестве управляемого сопротивления [4].

Аналогичным способом с помощью фоторезистора можно детектировать и частотно модулированный (ЧМ) сигнал.

Из приведенного рассмотрения видно, что фоторезистивная структура может выполнять операции с сигналом, которые осуществляются с помощью транзисторной электроники. Основ-

ное для НИИ НИЯ

преимущество применения фоторезистора обработки сигналов заключается в сниже-нелинейных искажений сигнала сообще-и совмещение в оптической линии связи

Рисунок 2

Фазовый модулятор: / — емкость, .

2 — индуктивность, 3 — фоторезистор, 4 — источник света, 5 — световод

процессов приема и обработки сигнала в одном устройстве — фоторезисторе. Возможны и другие случаи применения фоторезистора в электронике, где транзистор выполняет роль управляемого сопротивления, например, в различных видах фазовых модуляторов [5]. Главным недостатком такого модулятора является высокий коэффициент нелинейных искажений, который достигает при девиации фазы А(р — 0,52 рад, К = 7,5 %, а в ряде случаев превышает нормы для передатчиков низовой связи (А = 15 %) [1L Высокий коэффициент нелинейных искажений связан с тем, что в качестве управляемого сопротивления применяется нелинейный элемент — полевой транзистор, проводимость которого нелинейно зависит от модулирующего сигнала:

На вход схемы подается высоко частотный сигнал t/м с частотой щ = ^LC, где L и С — соответственно индуктивность и емкость. В этом случае коэффициент передачи схемы при любом сопротивлении фоторезистора равен 1 и паразитной АМ не будет, Модулирующий сигнал (сигнал сообщения) подается на источник света. Оптический сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения по световоду, поступает на фоторезистор. Проводимость фоторезистора изменяется в соответствии с оптическим сигналом, а, следовательно, и с сигналом сообщения. В результате фаза высокочастотного сигнала на выходе устройства будет изменяться по закону:

где ст — проводимость фоторезистора. При небольших изменениях проводимости А/? / /? = 0,6, а, следовательно, уровне освещенности, фоторезистор является линейным элементом, и его проводимость, в отличие от полевого транзистора, линейно зависит от интенсивности света, т. е. от управляющего сигнала. Применение световода для передачи модулирующего сигнала, преобразованного в оптический, позволяет снизить помехи, вносимые в сигнал паразитными связями, а также обеспечить высокую скрытность Источника сообщения. Это связано с тем, что источник сообщения может быть удален от радиостанции с фазовым модулятором на значительное расстояние. Световод не излучает электромагнитных волн, а оптический сигнал в световоде неподвержен помехам.

Рисунок 3

Передатчик с амплитудной модуляцией: 1 — перестраиваемый генератор, 2 — фоторезистор, 3 — усилитель, 4 — световод, 5 — источник света, интенсивность которого меняется по закону модулирующего сигнала, 6 — антенна

Рисунок 4

Анализатор спектра электрических сигналов:

/ — усилитель, 2 — фоторезистор,

3 —■ фильтр низких частот, 4 — световод, 5 — гетеродин, 6 — регистрирующее устройство

На рис. 3 и 4 приведены блок-схемы передатчика с модулятором на основе резисторного оптрона и анализатора спектра электрических сигналов соответственно.

Достоинством таких схем является гальваническая развязка сигналов, что резко упрощает устройство смесителей.

Проведенное рассмотрение показывает, что фоторезистор в оптроне может выполнять большинство функций транзисторной электроники, связанных с обработкой сигналов. При этом в фоторезисторе возможно совмещение функций приема и обработки оптического сигнала, несущего информацию, что резко уменьшает число связей между элементами в устройствах обработки информации, обеспечивая непрерывность перехода из оптических линий передачи информации в электронные.